流体粘性对半潜式平台气隙量的影响研究

王志东， 庄丽帆， 凌宏杰， 戴 挺， 陈茂侨

(1.江苏科技大学，江苏 镇江 212003； 2.大连船舶重工集团设计研究所，辽宁 大连116052)

流体粘性对半潜式平台气隙量的影响研究

王志东1， 庄丽帆1， 凌宏杰1， 戴 挺2， 陈茂侨1

(1.江苏科技大学，江苏 镇江 212003； 2.大连船舶重工集团设计研究所，辽宁 大连116052)

为了探究半潜式平台在工作海况下气隙量的变化情况，该文基于势流理论和粘流理论开展了在不同有义波高、谱峰周期和浪向角下共计29个工况下的半潜式平台气隙量的数值预报。数值计算结果表明：粘、势流理论计算的气隙量随着影响因素的变化具有相同的变化趋势，但粘流理论计算的负气隙量普遍大于势流理论，且在平台下甲板边缘和立柱周围处负气隙分布差别较大。这是由于粘流理论在求解时综合考虑了入射波、绕射波、辐射波的波形叠加及波浪沿立柱的爬高效应，对半潜式平台的设计具有指导意义。

半潜式平台；气隙；势流理论；粘流理论

0 前言

气隙规定为海洋平台下层甲板底部至波面间的垂直距离，平台初始气隙则定义为下层甲板至静水面的垂直距离。平台气隙是研究浮式平台安全性能的重要因素，它是半潜平台设计过程中需要考虑的关键问题之一，因此，对气隙量进行比较准确的预报对于平台的设计有着重要的意义。

对于半潜式平台气隙问题的研究，在势流理论方面，Sweetman和Wimerstein等[1～3]对平台气隙响应水池模型实验数据进行了整理和分析，提出了适用于平台初期设计和终期设计的预报方法。Stansberg[4]等人利用势流软件WIMIT对半潜式平台周围的波高和气隙响应进行了数值模拟，发现线性方法过于低估了平台的相对波面升高，而二阶非线性方法在一些情况下能基本满足工程预报的要求。Kazemi和Incecik[5,6]采用两种数值模型计算平台的气隙响应：第一种为完全线性的直接边界元方法，第二种为混合边界元方法。初步对半潜式平台进行了气隙性能预报，提出波陡较小时可采用线性方法进行计算。马巍巍、余建星、于皓[7]对一座Truss Spar平台的气隙进行了数值预报，发现平台的垂荡运动是影响气隙性能的主要因素。陶晶晶[8]利用国外水池模型试验数据对气隙响应进行预测，并与多种预测模型的数值预测结果进行了对比，因而引入了三个理论模型。蒋安[9]分析了一、二阶势流理论在预报平台气隙响应时的可靠性、优劣性，以及其中的原因和规律。

在粘流理论方面，Lwanowski[10]等利用ComFLOW软件通过求解N-S方程结合改进的VOF方法预报了平台的气隙性能并捕捉平台周围的波浪爬坡和上浪现象。曾志[11]等利用气隙响应的数值计算，与试验结果进行对比，提出高阶散射和立柱处的波浪爬升效应对气隙的影响不可忽略。梁修锋[12]等人采用粘流软件FLUENT对半潜平台在某极端恶劣波浪环境条件下的气隙分布进行了数值预报。张磊[13]主要研究了入射波、绕射波、辐射波以及平台运动对气隙响应的贡献和影响，同时指出，入射波对总波浪高程贡献最大，其次是绕射波，辐射波贡献最小。单铁兵[14]对深海半潜式平台气隙、波浪爬升、砰击及上浪问题进行了研究，结果表明位于平台前立柱和后立柱迎浪面附近下甲板的零气隙次数最多，其中靠近后立柱迎浪面位置的波浪砰击次数约为前立柱迎浪面位置的数倍。

该文分别运用AQWA软件采用基于三维势流理论、三维频域Greeen函数分布源法和在FINE/Marine软件中选用三维非定常分离隐式求解器，k-ωSST模型、采用上风格式离散求解RANS方程对半潜式平台在29种海况下的气隙响应进行了数值计算，探讨了流体粘性对半潜式平台气隙量预报结果的影响。

1 半潜式平台模型的建立

该文目标平台是半潜式平台，工作水深为250m，平台的主要参数见表1。

表1 半潜式平台主尺度

图1 半潜式平台主视图

坐标系定义如图1、图2所示，其中Z轴垂直于水线面，方向向上，半潜式平台的三维建模如图2所示。

图2 半潜式平台俯视图

图3 半潜式平台几何模型图

2 半潜式平台网格的划分

势流理论计算时，半潜式平台表面网格的划分由于AQWA软件计算网格数量的局限性，划分了三套网格，经过网格敏感性研究最终采用上疏下密的划分方式，上部网格长度为1.5 m，下部网格长度为1 m，网格数为14 108。半潜式平台表面网格分布如图4所示。

粘性流体选用在FINE/Marine软件的HEXPRESS模块进行网格划分。设置长为415 m(约5 L)，宽为232 m(约3 L)，高为90 m(约L)的方形计算域，平台的位置处于距计算域入水口处约3 L，距计算域外侧约L，距计算域顶部约0.5 L处的中心位置上。划分的四套0°浪向角网格，经过软件中网格质量的检查和敏感性分析，该文对半潜式平台模型采用自由液面和局部网格加密。5个浪向角的网格数量均为300万左右，90°浪向角网格划分如图5所示。

图4 基于AQWA软件的平台表面网格分布图 图5 基于FINE/Marine软件的平台表面网格分布图

3 半潜式平台计算工况的设定

图6 平台下甲板观测点布置图

半潜式平台工作水深为250 m，有义波高Hs=10m，谱峰周期Tp=14.1s、12.8s、11.8s、10.6s；有义波高Hs=8m，谱峰周期Tp=9.5s、10.1s，浪向角β=0°、30°、45°、60°、90°，共计29个工况下半潜式平台气隙量的数值预报。

浪向角是指浪向与x轴正向的夹角，如图2所示。为便于观测半潜式平台在各工况下的气隙变化量，在平台下甲板上布置了88个观测点，观测点主要位于平台下甲板的边缘、立柱周围及平台几何中心处，观测点分布如图6所示。其中势流理论计算中所选用的34个观测点，对称取自这88个点。

该半潜式平台的系泊系统选用8根锚链线，在平台的每个立柱的拐角处分别设置2根。势流软件中对系泊采用悬链线方式，而粘流软件对系泊采用弹性锚定，即两端采用锚、系泊点定位，并设置刚度及预应力。图7介绍了系泊系统中使用的锚链线及其编号，表2为半潜式平台悬链线的参数。

图7 悬链线的设定示意图

表2 半潜式平台悬链线参数

4 基于粘流及势流理论的半潜式平台负气隙量预报结果对比分析

通过势流软件、粘流软件对半潜式平台气隙的计算，根据观测点气隙量的统计对比分析，得出相同工况下势流理论与粘流理论计算半潜式平台的负气隙量。平台最大气隙对比图如图8所示。

从图8中可以看出：粘、势流理论计算出的负气隙量值的整体趋势近似相同；负气隙量随着波浪谱峰周期和有义波高的增加而增加，且在平台垂向固有周期11 s附近发生共振现象，垂荡运动较为剧烈，在有义波高H1/3=10m，浪向角β=0°时，负气隙值分别达到6.81m、8.79m。然而从整体看来，粘流理论计算出半潜式平台的负气隙量普遍大于势流理论的计算结果。

对观测点比较后可以发现，负气隙预报结果相差量值较大的观测点均处于平台下甲板的边缘和立柱周围的外角隅处。但其中存在部分不符规律的奇点，这是由于在粘流软件数值模拟中，当波浪对下甲板产生砰击时，并没有考虑下甲板的限制，而在势流软件中则不会出现波浪冲破下甲板现象。

同时可以发现，在有义波高8m的情况下(最大波高为12m)，如图8(a)、(c)、(e)、(g)、(i)所示，负气隙相差量值在0.02m～3.62m，约占最大波高的0.2%～30%；在有义波高10m的情况下(最大波高为15m)，如图7(b)、(d)、(f)、(h)、(j)所示，负气隙差量值在0.27～5.71m左右，约占最大波高的2%～ 38%，用于描述波浪爬坡高度导致负气隙量值的增加幅度。

出现这种现象的主要原因是波浪的高阶散射和某一瞬间流体与立柱或甲板边缘处的耦合作用引起飞溅或波浪爬坡效应对气隙的影响不可忽略。而粘流软件利用高品质网格和高精度的自由液面捕捉技术考虑了入射波、绕射波、辐射波叠加后的波面，以及波浪沿立柱的爬高、飞溅及砰击等强非线性作用，进一步恶化了平台的生存环境。而势流软件无法处理波形的叠加和波浪沿立柱的爬高，使得粘流理论计算出半潜式平台的负气隙量普遍大于势流理论的计算结果。

图9给出了相同工况下AQWA软件与FINE/Marine软件计算出的负气隙对比云图。从图9(a)、(b)、(c)中的上半图可以看出，势流理论计算出的负气隙量在半潜式平台上的分布呈现出左右对称，且平台偏向中后部负气隙量值最小，在平台迎浪和背浪处负气隙量值较大；从图9(a)、(b)、(c)中的下半图可以看出，粘流理论计算出的负气隙量在半潜式平台上的分布与势流理论计算出的负气隙量在半潜式平台上的分布近似相同。其中，在半潜式平台中心区域的分布负气隙量大致相同，差别较大的主要是在平台下甲板四周边缘位置和立柱周围，尤其是立柱的外角隅区域。在有义波高H1/3=10m，谱峰周期Tp=12.8s，浪向角β=0°的高海况下，粘流理论计算得到立柱处的负气隙值近高达5m以上，远远超过势流理论计算所得，故高阶散射和立柱处的波浪爬升效应对气隙的影响不可忽略。

图8 基于粘流及势流理论的气隙对比分析图

图9 基于粘流及势流理论的负气隙云图

图10 某一时刻平台波浪耦合图

图10给出了基于粘流理论的半潜式平台与波浪耦合响应。从图10中可以看出，平台周围的波形与平台六自由度运动存在显著的耦合现象。

5 结论

该文重点分析了势流及粘流对平台气隙量预报结果的影响。结果表明：

(1) 粘、势流理论计算负气隙量值的整体趋势近似相同，但粘性流体计算软件计算的负气隙量值普遍大于势流软件的计算结果。

(2)粘、势流理论计算出的负气隙量在半潜式平台上的分布近似相同，但粘流理论计算得到的平台下甲板边缘和立柱周围处较于其中间区域更容易出现负气隙。在高海况下，粘流理论计算得到立柱处的负气隙值近高达5m以上，远远超过势流理论计算所得。

(3)粘性流体中的高阶散射和立柱处的波浪爬升效应对平台气隙的影响不可忽略，尤其是波浪爬坡、飞溅和砰击等非线性作用。在有义波高8m的情况下，粘、势流理论计算的负气隙相差量值约占最大波高的0.2%～30%；在有义波高10m的情况下，负气隙差量值约占最大波高的2%～38%。因此在计算过程中，必须要考虑粘流的影响。

(4)粘性流体在求解时还综合考虑了入射波、绕射波、辐射波的波形叠加及波浪沿立柱的爬高效应，而势流理论无法处理波形叠加和波浪沿立柱的爬高。

因此，粘性流体对半潜式平台气隙预报结果的影响较大，伴随出现波浪爬坡、砰击、飞溅等强非线性特性，有必要深入开展粘性流场中半潜式平台气隙规律的预报研究及相关模型试验研究，以探明飞溅、砰击等局部瞬态强非线性对平台气隙统计特性分析的影响。

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The Effects of Fluid Viscosity to the Air Gap of the Semi-submersible Platform

WANG Zhi-dong1, ZHUANG Li-fan1， LING Hong-jie1，DAI Ting2， CHEN Mao-qiao1

(1.Jiangsu University of Science and Technology, Jiangsu Zhenjiang 212003, China; 2.Dalian Shipbuilding Industry Group, Design Institute, Liaoning Dalian 116052, China)

When the semi-submersible platform is in the working sea conditions, in order to explore the changes of the amount of its air gap, the numerical prediction of the air-gap response is carried out based on potential flow theory and viscous flow theory respectively in this paper. There are in total 29 kinds calculation conditions in different sea conditions and wave angles. The results show that: the overall trend of the negative air gap is the same on the order of magnitude as the change of influencing factors. But the magnitude of the negative air gap calculated by the viscous flow theory is more than the potential flow theory. And the negative air gap distributed on the edge of the platform deck and around the columns had significant difference. in solving the incident, diffracted waves, wave superposition of waves along the column and climb effect radiation waves. This is due to viscous flow theory considering the addition of waveforms including incident wave, diffracted wave and radiated wave and the climb effect of waves along the column. So the air gap response numerical prediction can provide a reference basis for engineering design.

semi-submersible platform; air gap; potential flow theory; viscous flow theory

2014-09-22

王志东(1967-)，男，教授。

1001-4500(2015)04-0057-07

P75

A